压铆连接参数化建模及性能分析

2019-01-08陆凯雷宋伟伟刘贵

机械制造与自动化 2018年6期

陆凯雷，宋伟伟，刘贵

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025)

0 引言

压铆螺母的结构区别于普通螺母，其含有防扭转的花齿结构和防拉脱的沟槽结构[1]。它的工作原理是将压铆螺母压入连接板件的预置孔内，使得板件的孔周围材料发生塑性变形而填充入防拉脱沟槽内，以达到锁紧的目的。

压铆螺母装配方便，广泛地运用于很多空间狭窄等无法使用普通紧固连接的场合[2]。在实际使用中，由于选型和设计等不当因素出现连接不牢靠的现象，特别是应用在电力设备中，将会严重影响设备的正常运行。本文分析了板件的类型、预置孔的半径对压铆连接性能的影响，对选型和设计有一定的参考意义，以降低连接不牢靠而造成的损失。

压铆螺母的型号众多、结构相同，若每次分析时都重新建立模型，需要花费大量时间。因此，本文运用APDL参数化设计语言建立压铆螺母的参数化模型。通过设置相应的参数值，可迅速自动生成所需的分析模型，大大缩短了设计时间。

1 参数化建模、网格划分以及求解设置

建立参数化模型，关键是能明确表达模型结构的参数变量以及它们之间的关系。压铆连接结构参数变量如表1所示，压铆连接模型的结构示意图如图1所示。

表1 压铆连接主要结构参数变量

图1 压铆结构示意图

在分析压铆件的几何结构和材料特性的过程中使用了下面几个假设[3]：压铆螺母和预置孔在压铆过程中各个位置的变形都是与中心轴对称的，忽略压铆螺母内螺纹，建立二维轴对称参数化模型；压铆螺母和连接板件的材料都满足各向同性，且发生塑性变形时，材料满足各向同性强化准则。

运用APDL由底向上建立压铆连接的参数化模型。选取PLANE182单元，设置关键字KEYOPT(3)=1。选择材料模型，根据压铆螺母和连接板件的材料特性设置相关参数。然后，使用自由网格划分和映射划分相结合的方式对模型进行网格划分，同时对压铆接触位置的网格进行细化处理以增加分析的准确性，其有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

压铆过程是一个比较复杂的材料非线性和几何非线性的问题。压铆螺母和板的连接是面-面接触，选用CONTA172和TARGE169面-面接触单元来模拟压铆连接，建立接触对，在属性中对接触算法、接触刚度、摩擦系数等进行设置[4-5]。此外，在求解设置选项中采用大变形，并且通过减少载荷步时间和增加迭代计算的次数来提高压铆过程的收敛。

2 数值模拟分析

2.1 压铆连接的数值模拟

运用ANSYS有限元分析软件[6-7]对压铆连接进行数值模拟，计算得到应变云图如图3所示。

图3 压铆后应变云图

由图3可知，沿着板孔的轴线方向，应变量逐渐变小，花齿与板件接触位置的应变最大，在台肩处的应变达到了0.39mm。在板件的长度方向上，变形量也是逐渐变小，孔周围材料变形较大，应变达到了0.2mm。远离孔的板件没有发生变形，完全符合圣维南原理[8]。板件被压入螺母的沟槽内，可以有效地增强压铆螺母能够承受的拉脱力，即保证了压铆连接的可靠性。

2.2 板件孔径对压铆的影响

压铆件上预置孔的半径应该略大于螺母端部外径C，这样螺母才能放进预置孔内。但是，孔径过大会造成压铆连接的不牢靠。在保证螺母型号、基材等条件相同的情况下，分析不同预置孔的孔径对压铆连接性能的影响。选择型号为S-M4-2的压铆螺纹，压接板孔径D取5种情况，见表2。

运用有限元模拟计算后，从后处理结果中查看螺母沟槽与板件接触位置节点上的支反力，将所有支反力沿中心轴线的分力相加就得到了压铆连接的推出力。推出力是考量压铆连接牢固程度的一个重要因素，它的值越大表明压铆连接越牢固以及脱落的可能性越小。5种孔径压铆连接推出力有限元分析结果如图4所示。

图4 不同孔径下推出力变化曲线

由图4可知，孔径D=2.7mm时，压铆连接能承受的推出力为1 410N；孔径D=2.78mm时，推出力只有760N。随着孔径的增加，压铆螺母的推出力逐渐减小。这是因为板件孔周围材料受压力被挤进沟槽中，使螺母与板件连接。当孔径增大时，被压入沟槽中的材料变少，接触区域也变小。因此，其所能承受的推出力也变小。这表明，为了保证压铆连接的可靠性，板件的孔径应该控制在一定的范围内。

2.3 实验与有限元分析对比

根据表2中的孔径尺寸加工试件，在试件的一面压装压铆螺母，从另一面拧对应尺寸的螺钉，与板件保持一定的间距。然后，使用万能试验机对样件进行压缩，如图5所示。试验机后台记录的最大压力就是压铆连接的推出力。

为了保证试验的准确性，每种孔径加工了8个试验孔，然后计算8个孔推出力的平均值。5种孔径的推出力平均值如图6所示。

图5 试验样件与万能试验机

图6 不同孔径推出力试验平均值曲线

由图6知，随着孔径的增大，平均推出力的值从1 320N下降到了660N。试验得到的平均推出力与有限元分析在数值上有所差异，这是因为有限元分析进行了一些假设，并且压铆螺母与安装孔关于中心轴对称，而实际安装时很难保证其在孔的正中位置，会出现偏差。但是，有限元分析得到的推出力与试验的推出力总体的变化趋势保持一致且数值差距不大。因此，有限元分析结果对压铆的设计工作具有一定的参考意义。